張麗珺，梁秋爽，周利梅

（重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247）

1 引言

到目前為止，混凝土早前期自收縮的測定還沒有統(tǒng)一的方法。20 世紀(jì)90 年代開始，隨著高性能混凝土的廣泛應(yīng)用，混凝土的自收縮再一次被學(xué)者們重視，學(xué)者大多從混凝土的原料、外加劑和摻和料[1]對混凝土自收縮的影響出發(fā)，尋求減少混凝土自收縮引起開裂的方法，但是對如何測定收縮的方式研究較少。

混凝土早期性能是指混凝土結(jié)構(gòu)還在成型階段所體現(xiàn)出來的性能，在該階段混凝土經(jīng)歷復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，體積狀態(tài)仍不穩(wěn)定，學(xué)者袁勇[2]在《混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫控制》中將該階段分為塑性階段、早前期階段以及早期階段三個階段?；炷猎谒苄噪A段（澆筑后6h～12h）時，處于流動狀態(tài)，雖然體積變化劇烈，但是不會產(chǎn)生約束收縮應(yīng)力，所以在對混凝土力學(xué)研究時，一般不考慮這個階段，但是在混凝土結(jié)構(gòu)體積變形控制時，要考慮混凝土這個階段的收縮變化。混凝土在早前期階段（終凝后～72h），水化過程過快，強(qiáng)度和剛度發(fā)展迅速，由于這一階段混凝土結(jié)構(gòu)一般不會拆模，因此該階段混凝土發(fā)生的收縮主要是自收縮。早前期階段需要注意對結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)，避免混凝土發(fā)生比較大的干燥收縮。早期階段（澆筑后72h～90d），這一階段混凝土水化已經(jīng)完成，其硬化程度和基本性能趨于成熟。

本文主要取混凝土終凝后至28d這一階段，稱之為早齡期階段，對其自由收縮以及在約束條件下收縮的研究方法進(jìn)行闡述。

2 混凝土構(gòu)件早齡期自收縮試驗(yàn)方法分析

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)規(guī)定[3，4]，檢測普通混凝土收縮的方法為在試件（100mm×100mm×515mm）的兩端預(yù)先埋置好測頭，測頭材料一般為不銹鋼材料，準(zhǔn)備好的試件1d后才可以拆模并且需要標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下不少于3d 的養(yǎng)護(hù)，然后將試件放置于溫度20℃、RH60%的干燥環(huán)境中，每天記錄試件長度與齡期的關(guān)系，數(shù)據(jù)用千分表測定。這種方法當(dāng)試件前期水化收縮占總收縮的比例不大時，是滿足要求的。但是對于高強(qiáng)混凝土，由于其早期水化劇烈，忽略前3d的變形，誤差就會偏大[5]。

國外針對這種情況對試驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)[6]，改進(jìn)方法是將試件平放，試件拆模后裝試驗(yàn)儀器，在不搬動試件的情況下對試件進(jìn)行測量。即便采用這樣的試驗(yàn)方法，測量方法也有很多種。

侯景鵬[7]總結(jié)了多種測量方法并分別進(jìn)行了評價。本文設(shè)計采用端部接觸式傳感器，將傳感器放在混凝土試件的兩端，傳感器頭抵住端部中央。這樣做既簡化了測量操作，又能得到比較精確的測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是電腦控制的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集精度控制在不小于10-3mm，傳感器安放原理如圖1 所示。

圖1 混凝土試件自由收縮測量原理

2.2 影響自收縮試驗(yàn)結(jié)果的因素

2.2.1 靜摩擦力對試驗(yàn)結(jié)果的影響

由于試件是水平測量，試驗(yàn)時需要注意兩處摩擦力問題：①試件與底模之間的摩擦力不能過大?？稍谠嚰仓皩⒕鬯姆蚁≒DFE）板墊在底模上，以減少底板與試件之間的摩擦，同時注意板與底模間也需要涂機(jī)油以減少二者間的摩擦。②傳感器與混凝土試件之間的摩擦。可將傳感器與混凝土構(gòu)件平行布置于混凝土斷面中間位置，以降低兩者之間的摩擦。

由于試件變形緩慢，所以其與底板之間的摩擦力被視為靜摩擦力。由測量模板一端慢慢抬起直至試件開始自由滑落時的高度，計算試件與底模間的摩擦系數(shù)。在本試驗(yàn)中，底模長度為1200mm，測得模板抬起300mm 時試件開始滑動，取模板與水平方向夾角為θ，則sinθ=300/1200=0.25，由此可得摩擦系數(shù)μ=tanθ=1-sin2θ/2=0.258。將重量0.24kN、尺寸100mm×100mm×1000mm 的混凝土試件經(jīng)過自由收縮測量試驗(yàn)后再進(jìn)行摩擦力試驗(yàn)，可得如下結(jié)果。

單位長度的摩擦力?為：

則此時摩擦力限制的收縮量△?為：

整理后得：

式中，F(xiàn) 為試塊重量，kN；為試件長度，mm；Et為混凝土彈性模量，N/mm2；A為截面面積，mm2。

如C30混凝土在28d齡期的彈性模量[6]，此時，據(jù)此可計算在摩擦力影響下混凝土試件應(yīng)變值

混凝土早期發(fā)生的收縮微應(yīng)變?yōu)?02數(shù)量級，所以基本可以忽略此摩擦力對應(yīng)變值變化的影響。

2.2.2 測量方法對試驗(yàn)結(jié)果的影響

研究表明[7]，用LVDT 測量方法可減小誤差，比千分表測量方法更具可控性。規(guī)范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-85）規(guī)定用千分表測1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d、120d、150d、180d 讀數(shù)，以確定試件收縮長度，肉眼讀數(shù)時容易引入隨機(jī)誤差，并且讀數(shù)時要接近儀器，可能擾動儀器，讀數(shù)時間人為控制，也會帶來時間誤差。用LVDT 測量時，用計算機(jī)控制時間，并可縮短測量時間間隔。試驗(yàn)開始時設(shè)定測量時間間隔為2h，3d后更改時間間隔為4h，7d后可半天測一次，28d 后兩天測一次，這樣可以得到比較精確的測量值。

2.2.3 早齡期干燥收縮對試驗(yàn)的影響

混凝土在早期加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)時，前3d 的混凝土不會跟外界發(fā)生水分交換，所以混凝土的干燥收縮可以在養(yǎng)護(hù)3d后進(jìn)行測量[8]。但在實(shí)際施工現(xiàn)場由于條件受限，不可能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，即使是覆蓋塑料布、及時澆水，都不可能達(dá)到養(yǎng)護(hù)室的養(yǎng)護(hù)濕度90%（高強(qiáng)混凝土要求95%），因此不能忽略混凝土在前3d 發(fā)生的干燥收縮。混凝土試塊拆模1d后進(jìn)行測量得到的混凝土干燥收縮如圖2 所示（混凝土配置強(qiáng)度C30，塌落度120mm，環(huán)境濕度50%，試件長度1m）。

圖2 混凝土干燥收縮圖

此時可以看出混凝土前3d 的干燥收縮大約為200微應(yīng)變，高強(qiáng)混凝土可能會更多[9]。由于此試件是在混凝土剛拆模后就放入干燥環(huán)境中進(jìn)行自由收縮，可能收縮量會大于實(shí)際工程，但是前3d 的收縮還是不能忽略的。計算公式[7]在計算混凝土干燥收縮時用的收縮極值為324 微應(yīng)變，遠(yuǎn)小于上述試驗(yàn)結(jié)果，主要原因是收縮測量開始時間是在構(gòu)件養(yǎng)護(hù)3d后開始。而歐洲規(guī)范給出的極限干燥收縮值是700微應(yīng)變，主要是測量開始時間的不同。

3 混凝土在約束狀態(tài)下早齡期應(yīng)力變化研究方法

混凝土在約束狀態(tài)下的早期應(yīng)力變化是由于混凝土收縮和徐變的共同作用產(chǎn)生的?；炷猎诩s束狀態(tài)下收縮會在內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，而徐變又會釋放掉部分應(yīng)力。因此研究混凝土早期性能的一個關(guān)鍵問題就是理解混凝土早期收縮和徐變共同作用的機(jī)理?；炷恋氖湛s可以直接測得，但徐變需要結(jié)合構(gòu)件在約束狀態(tài)下拉力變化及收縮通過計算求得。目前我國規(guī)范還沒有對約束條件下混凝土早期應(yīng)力的試驗(yàn)方法做出規(guī)定，當(dāng)在常用試驗(yàn)方法中，約束條件主要分為環(huán)形約束和直線約束[10]。

3.1 環(huán)形約束下早齡期應(yīng)力試驗(yàn)方法分析

環(huán)形約束試驗(yàn)需在剛性約束鋼環(huán)外澆筑一層較薄的環(huán)狀混凝土，并用硅橡膠進(jìn)行密封，環(huán)狀混凝土在發(fā)生收縮時會受到鋼環(huán)的限制，從而在環(huán)向產(chǎn)生拉應(yīng)力發(fā)生開裂。文章是通過觀察開裂情況研究應(yīng)力變化，其裝置圖如圖3 所示。研究也可對這種環(huán)形約束試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，用電阻應(yīng)變片對環(huán)狀混凝土外側(cè)及鋼環(huán)內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測，來分析混凝土的應(yīng)力變化。

圖3 環(huán)形約束收縮試驗(yàn)裝置圖

環(huán)形約束的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)方法簡單，操作者容易掌握，約束環(huán)測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)不容易發(fā)生偏心。需要注意的是一般情況下在采集混凝土收縮數(shù)據(jù)時只有兩個面暴露在空氣中，所以其缺點(diǎn)是無法得到混凝土構(gòu)件中內(nèi)部水分蒸發(fā)的實(shí)際數(shù)據(jù)，難以測量鋼筋混凝土試件的收縮。

3.2 直線約束下早齡期應(yīng)力試驗(yàn)方法分析

直線約束適用的試件長度遠(yuǎn)大于橫截面，這樣就可以假設(shè)應(yīng)力和收縮的變化是沿著直線方向發(fā)展的。直線約束雖然可以克服環(huán)形約束的缺點(diǎn)，但也容易發(fā)生偏心的影響。采用足夠長的構(gòu)件，可以降低這種偏心影響，甚至可忽略不計。

直線約束有兩種形式：內(nèi)部鋼筋約束以及外部約束。兩種約束條件下比較容易測得約束力的方法是內(nèi)部鋼筋約束，只要在鋼筋上貼應(yīng)變片即可，當(dāng)然這樣不是最理想的完全約束力，因?yàn)閮?nèi)部鋼筋的約束力不充分，想要得到最終完全約束力需要對測得的應(yīng)力進(jìn)行換算，而混凝土的徐變量與完全約束狀態(tài)下的徐變量相差較大，所以鋼筋約束狀態(tài)下很難評定構(gòu)件是何時開裂的。外部約束的條件比較嚴(yán)格，首先構(gòu)件長度不變，這就需要電液伺服系統(tǒng)來控制，其次收縮要求架體剛度較大。約束力則是通過試件端部的力傳感器來測量，所得的數(shù)值可以作為完全約束狀態(tài)下的約束力，這樣就避免了在對數(shù)值進(jìn)行修正時由于材料非線性等因素引起的誤差。

圖4 是被動外部直線約束下測得的混凝土在干燥收縮作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力隨時間變化圖。由于此試驗(yàn)沒用電液伺服系統(tǒng)控制試件長度，所以試件在約束收縮下產(chǎn)生的拉應(yīng)力會因架體剛度在拉力下收縮，導(dǎo)致部分拉應(yīng)力被釋放掉，并且試件收縮是在混凝土收縮與徐變共同作用下產(chǎn)生的，一部分拉應(yīng)力同樣會因?yàn)樾熳冏饔枚尫?。?gòu)件的實(shí)際拉應(yīng)力需要計算出架體收縮量后進(jìn)行修正，但是修正后的試件拉應(yīng)力很難考慮徐變作用，會產(chǎn)生較大誤差。這種修正要跟電液伺服系統(tǒng)控制長度下的測量結(jié)果做比較，來得到比較準(zhǔn)確的修正系數(shù)，或者直接用帶電液伺服的架體控制試件長度不變。

圖4 混凝土約束收縮應(yīng)力圖

3.3 早齡期收縮及徐變關(guān)系分析

混凝土早期強(qiáng)度和彈性模量可以反映出混凝土早期性能，在對混凝土早期性能進(jìn)行研究時需要對兩者進(jìn)行監(jiān)測[11]，根據(jù)所得數(shù)據(jù)共同評價混凝土早期收縮及徐變對早期性能的影響。εt為時刻t的應(yīng)變量，δt為同等條件下混凝土試件受主動約束時的應(yīng)力，則此時的混凝土徐變應(yīng)變量為εt-δt/E1。構(gòu)件端部約束剛度不同會影響徐變量的改變，控制其在約束狀態(tài)下的長度，可得徐變量和約束間關(guān)系。

鋼筋混凝土和普通混凝土的約束收縮有所不同，而鋼筋混凝土為最常見的工程構(gòu)件，混凝土中的鋼筋視作約束時，就會增加混凝土的約束作用，可以得出鋼筋混凝土在混凝土早期收縮作用下比普通混凝土更易開裂的結(jié)論。而實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是一定量的鋼筋可以減少混凝土裂縫的發(fā)展，這種現(xiàn)象王鐵夢[12]在《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》中給予了解釋，這些工作只有在直線主動約束作用下才能得到比較準(zhǔn)確的數(shù)值，但是配筋率對約束力的影響仍需研究。

4 結(jié)語

高性能混凝土的發(fā)展及各種外加劑的使用，給本來就復(fù)雜的混凝土早期構(gòu)件中的物理化學(xué)變化增加了很多不確定因素，因此關(guān)于混凝土早期性能有效測試的研究方法顯得尤為重要。本文針對能夠反應(yīng)混凝土早期性能的自收縮和約束狀態(tài)下應(yīng)力變化試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

①在混凝土早期自收縮測量中采用端部接觸式傳感器進(jìn)行測量，經(jīng)過分析認(rèn)為，混凝土構(gòu)件與底板之間的靜摩擦力對試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略不計；用LVDT測量方法比千分表測量方法更具可控性，可以減小誤差；在試驗(yàn)過程中要重視混凝土構(gòu)件養(yǎng)護(hù)前3d 的干燥收縮對測量結(jié)果的影響。

②混凝土構(gòu)件在約束狀態(tài)下應(yīng)力變化分析顯示：環(huán)形約束試驗(yàn)裝置僅限于素混凝土收縮的測量。直線約束狀態(tài)對混凝土狀態(tài)沒有要求，為了提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，測試混凝土試件應(yīng)力變化時，需結(jié)合電液伺服系統(tǒng)控制試件長度，并對測量結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確修正。

③監(jiān)測混凝土早期強(qiáng)度和彈性模量同樣可以評價混凝土早期收縮及徐變對早期性能的影響。